Ejercicio resuelto de Números de oxidación · Química · 2025

BLOQUE D (Consta de dos cuestiones, debes responder a 1 de ellas)
D1. Se desea construir una pila Daniell en el laboratorio:

a) Dibujar un esquema de la pila, nombrar los distintos elementos, escribir las reacciones que tienen lugar en los electrodos e indicar los reactivos necesarios. (0,75)
b) Explicar la función del puente salino. (0,25)
c) Si se sustituye el electrodo $\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn}$ con uno de $\mathrm{Pb^{2+}}/\mathrm{Pb}$, ¿cuál será la fuerza electromotriz? ¿Será mayor o menor que la de la pila original? (0,50)
Datos: $E^{\circ}(\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu})=0{,}34\ \mathrm{V}$; $E^{\circ}(\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn})=-0{,}76\ \mathrm{V}$; $E^{\circ}(\mathrm{Pb^{2+}}/\mathrm{Pb})=-0{,}13\ \mathrm{V}$.

$\textbf{a) Dibujar un esquema de la pila, nombrar los distintos elementos, escribir las reacciones que tienen lugar en los electrodos e indicar los reactivos necesarios. (0,75)}$

La pila Daniell es la pila formada por los pares del cinc y del cobre. Se identifica primero qué par se reduce y qué par se oxida comparando sus potenciales, y de ahí se deduce cuál es el ánodo y cuál el cátodo.

$E^0(\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu})=+0{,}34\ \text{V}>E^0(\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn})=-0{,}76\ \text{V}$

El cobre, con el potencial más alto, es el que se reduce, y la reducción ocurre en el cátodo. El cinc se oxida, y la oxidación ocurre en el ánodo.

$\text{Ánodo }(-),\ \text{oxidación}:\ \mathrm{Zn}\,(s)\rightarrow \mathrm{Zn^{2+}}\,(aq)+2\,e^-$

$\text{Cátodo }(+),\ \text{reducción}:\ \mathrm{Cu^{2+}}\,(aq)+2\,e^-\rightarrow \mathrm{Cu}\,(s)$

$\text{Reacción global}:\ \mathrm{Zn}\,(s)+\mathrm{Cu^{2+}}\,(aq)\rightarrow \mathrm{Zn^{2+}}\,(aq)+\mathrm{Cu}\,(s)$

$E^0_{\text{pila}}=E^0_{\text{cátodo}}-E^0_{\text{ánodo}}=0{,}34-(-0{,}76)=+1{,}10\ \text{V}$

El montaje consta de dos semiceldas separadas y conectadas de dos maneras distintas. En cada semicelda hay un vaso con la disolución de la sal del metal correspondiente y, sumergida en ella, una lámina del propio metal que hace de electrodo. Por fuera, un hilo conductor une los dos electrodos a través de un voltímetro: por él circulan los electrones, siempre del ánodo al cátodo, o sea del cinc al cobre. Por dentro, un puente salino une las dos disoluciones y cierra el circuito.

Elemento	Función Electrodo de Zn	ánodo, polo negativo; se oxida y se va consumiendo Disolución de $\mathrm{ZnSO_4}$	electrólito de la semicelda anódica Electrodo de Cu	cátodo, polo positivo; sobre él se deposita cobre Disolución de $\mathrm{CuSO_4}$	electrólito de la semicelda catódica, aporta el $\mathrm{Cu^{2+}}$ Puente salino	cierra el circuito por el interior y mantiene la neutralidad Hilo conductor y voltímetro	conducen los electrones por el exterior y miden la fem

La notación abreviada de la pila coloca el ánodo a la izquierda y el cátodo a la derecha, separados por la doble barra del puente salino:

$\mathrm{Zn}\,|\,\mathrm{Zn^{2+}}\,(1\ \text{M})\,||\,\mathrm{Cu^{2+}}\,(1\ \text{M})\,|\,\mathrm{Cu}$

Los reactivos necesarios son, por tanto, una lámina de cinc, una lámina de cobre y sendas disoluciones de sulfato de cinc y sulfato de cobre(II), además de la disolución del puente salino. En condiciones estándar la pila proporciona una fuerza electromotriz de $1{,}10$ V.

$\textbf{b) Explicar la función del puente salino. (0,25)}$

Se razona qué ocurriría en cada semicelda si el puente no existiera. En el ánodo se van generando cationes $\mathrm{Zn^{2+}}$, de modo que esa disolución acumularía carga positiva; en el cátodo desaparecen cationes $\mathrm{Cu^{2+}}$, de modo que allí quedaría un exceso de carga negativa procedente de los aniones sulfato.

$\text{ánodo}:\ \text{exceso de }\mathrm{Zn^{2+}}\qquad \text{cátodo}:\ \text{exceso de }\mathrm{SO_4^{2-}}$

Esa separación de carga crearía un campo eléctrico opuesto al paso de electrones y la pila se detendría de inmediato. El puente salino lo evita permitiendo la migración de iones entre las dos semiceldas: sus aniones se dirigen hacia el ánodo y sus cationes hacia el cátodo.

El puente salino cierra el circuito por el interior y mantiene la electroneutralidad de las dos disoluciones, lo que permite que la pila siga funcionando. Al mismo tiempo impide que las dos disoluciones se mezclen, ya que si el $\mathrm{Cu^{2+}}$ alcanzara la lámina de cinc la reacción se produciría directamente sobre el metal y no se obtendría corriente eléctrica.

$\textbf{c) Si se sustituye el electrodo }\boldsymbol{\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn}}\textbf{ con uno de }\boldsymbol{\mathrm{Pb^{2+}}/\mathrm{Pb}}\textbf{, ¿cuál será la fuerza electromotriz? ¿Será mayor o menor que la de la pila original? (0,50)}$

Se repite el cálculo de la fuerza electromotriz con el nuevo par. El plomo sigue teniendo un potencial inferior al del cobre, de modo que continúa siendo el ánodo y el cobre el cátodo; lo único que cambia es la magnitud de la diferencia.

$E^0(\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu})=+0{,}34\ \text{V}>E^0(\mathrm{Pb^{2+}}/\mathrm{Pb})=-0{,}13\ \text{V}$

$E^0_{\text{pila}}=0{,}34-(-0{,}13)=+0{,}47\ \text{V}$

$\mathrm{Pb}\,|\,\mathrm{Pb^{2+}}\,(1\ \text{M})\,||\,\mathrm{Cu^{2+}}\,(1\ \text{M})\,|\,\mathrm{Cu}$

Se compara con el valor de la pila Daniell original:

$0{,}47\ \text{V}<1{,}10\ \text{V}$

La nueva pila proporciona una fuerza electromotriz de $0{,}47$ V, menor que la de la pila original. La razón es que el plomo es bastante menos reductor que el cinc, es decir, su potencial de reducción está mucho más cerca del del cobre, y la fuerza electromotriz mide precisamente esa separación.